近日，NatureEnergy發(fā)表題為“Batteryrevolutiontoevolution”的社論。文中稱在便攜式電子產(chǎn)品領(lǐng)域以及交通運輸和電網(wǎng)規(guī)模存儲領(lǐng)域，鋰離子電池（LIBs）所帶來的驚人進步和社會變革被人們津津樂道，以至于人們覺得諾貝爾委員會應(yīng)該早早認可三位LIBs先驅(qū)所做出的貢獻。盡管如此，他們在奠定鋰離子化學(xué)基礎(chǔ)上的開創(chuàng)性工作的故事卻屢見不鮮。因此，認識到目前商業(yè)LIBs發(fā)展道路上的關(guān)鍵里程碑，考慮未來電池的發(fā)展道路是非常重要的。

這場革命始于20世紀70年代的石油危機，當(dāng)時社會迫切需要替代能源來取代化石燃料。當(dāng)時的電池如鉛酸和鎳鎘，并沒有給高能量輸出帶來很大希望。StanleyWhittingham在1974年的ChemicalCommunications雜志上發(fā)表了第一篇文章，他指出離子可以電化學(xué)插層到層狀過渡金屬二硫化物中，比如TiS2。正如他后來在1976年的Science上所證明的那樣，這種插層化學(xué)使第一個由TiS2正極和金屬鋰負極組成的可充電鋰電池成為可能。

電池研究進程

JohnGoodenough和他的同事在1980年的MaterialsResearchBulletin中報道了一種正極LiCoO2（LCO），它具有與TiS2類似的層狀結(jié)構(gòu)，并且能夠脫嵌鋰離子。而這種新的正極使TiS2的工作電壓增加了一倍，從而導(dǎo)致能量密度顯著提高。在眾多的正極材料中，LCO是最成功：它目前仍在大多數(shù)智能手機中使用。早期的可充電鋰電池只有在實驗室才獲得成功，主要問題在于使用金屬鋰負極，這種負極具有很高的化學(xué)活性，會導(dǎo)致顯著的副反應(yīng)。在充電過程中，由于鋰離子沉積，它們?nèi)菀仔纬芍?，從而?dǎo)致短路的危險。這也是埃克森美孚試圖將Li-TiS2體系商業(yè)化失敗的科學(xué)原因之一。這一突破得益于1985年的專利，在專利中AkiraYoshino和他的同事報道了第一個實用的鋰離子電池原型，將含碳材料作為負極，將LCO作為非水電解質(zhì)中的正極。

雖然Yoshino的電池看起來異常簡單，但它開辟了一個新的設(shè)計理念：活性金屬鋰負極可以被更良性的非金屬化合物（如碳質(zhì)材料）取代，這些化合物能夠儲存鋰離子，同時消除與使用金屬鋰有關(guān)的問題。索尼公司很快采納了Yoshino的策略，制造出了世界上第一款帶有軟碳負極和LCO正極的商用鋰電池，其能量密度達到80Whkg–1，是普通鉛酸電池的兩倍。該公司后來采用了石墨負極和聚合物凝膠電解質(zhì)來生產(chǎn)第一批商用聚合物電池。商用電池負極向石墨的轉(zhuǎn)變很重要，因為它允許更高的工作電壓，與優(yōu)化的LCO正極一起，具有190Whkg-1的能量密度。電解液的革新也大大降低了成本，提高了安全性。

汽車電氣化需求

雖然便攜式電子設(shè)備已經(jīng)成功地由石墨基鋰離子電池供電，但汽車電氣化迫切需要更高能量密度的電源。為了實現(xiàn)這一目標，人們在尋找未來電極方面付出了巨大的努力。在最有希望的方法中，金屬鋰是所有鋰負極中比容量最高的，但面臨著同樣的問題。而借助納米技術(shù)和電解液的發(fā)展，能夠解決這些問題。在NatureEnergy中，LiuJun提出了實現(xiàn)高能長循環(huán)鋰金屬電池的獨特途徑。特別令人鼓舞的是，這個原型鋰金屬電池具有300Whkg–1。

在正極方面，層狀Ni-Mn-Co氧化物和Ni-Co-Al氧化物是當(dāng)今電動汽車電池中最重要的正極材料。這些材料與LCO有著密切聯(lián)系，但它們的元素成分具有可調(diào)性。對于下一代正極，如層狀富Li和Mn基氧化物和富Ni氧化物，正在進行深入的研究，它們可以提供更高的電壓或容量，從而具有更高的能量密度。

未來發(fā)展

未來電池研發(fā)的目標是：更多的能源和動力、更長的壽命、更低的成本和更高的安全性。正如以前的科學(xué)突破，加上過去使電池技術(shù)得以飛躍的工程一樣，基礎(chǔ)研究和技術(shù)水平的進步仍然是未來電池不斷發(fā)展的關(guān)鍵。

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